半透明 TiO₂/LiCoO₂ 光伏锂离子电池将可逆锂离子存储与直接太阳能充电相结合。在电池运行期间，锂离子在 TiO₂ 负极和 LiCoO₂ 正极之间往返移动，而电子则通过外部电路传输。该电池的理论电化学电势约为 2.0–2.3 V，而在一倍太阳光照射下，光伏响应可产生约 0.97 V 的 Voc 和约 7 × 10⁻⁵ A 的 Isc。
该器件必须同时作为可充电锂离子电池和光伏元件进行评估。因此，实验室测试结合了受控恒电流循环、光照下的电流–电压测量、自放电分析，以及对锂嵌入相关变化的光学监测。
半透明电池如何存储和释放能量
TiO₂ 电极上的锂嵌入
充电期间，锂离子和电子嵌入 TiO₂ 宿主结构中：
[ \mathrm{TiO_2 + xLi^+ + xe^- \rightarrow Li_xTiO_2} ]
放电期间，随着锂从嵌锂 TiO₂ 中脱嵌，该反应发生逆向进行。
在存储反应中，TiO₂ 充当负极，同时也是一种能够在光照下产生光电流的n 型半导体。
LiCoO₂ 电极上的锂脱嵌
在 LiCoO₂ 电极处，充电会使层状正极中的锂脱出：
[ \mathrm{LiCoO_2 \rightarrow Li_{1-x}CoO_2 + xLi^+ + xe^-} ]
放电期间会发生逆反应，此时锂离子返回 LiCoO₂ 结构，电子则通过外部电路到达该电极。
电池的整体运行
电解质为Li⁺ 传输提供通道，而外部电路负责传输电子。由于锂嵌入具有较高的可逆性，该器件可作为二次可充电电池运行，不同于主要依赖基本不可逆放电反应的一次电池。
电极反应决定电池的电化学电压，而光伏组件在电池受光照时为充电提供电能。
器件具备光伏特性的原因
TiO₂ 作为光响应组件
在模拟太阳光下，TiO₂ 薄膜表现为 n 型半导体。光照会产生载流子和光电流，并可直接为锂离子电池充电提供助力。
从原理上看，这消除了对独立外部太阳能电池板的需求，但可用充电电流仍然是一个关键的实际限制因素。
光伏性能指标
报告中的主要光伏参数包括：
- 开路电压，Voc：约 0.97 V
- 短路电流，Isc：约 7 × 10⁻⁵ A
- 光照条件：约为一倍太阳光
Voc 是在光伏端子开路且没有外部电流流动时测得的。Isc 是在光伏输出端短路时测得的，此时在该测试条件下电流达到最大值。
这些数值不应与电池约 2.0–2.3 V 的理论电势差混淆。电池电压反映的是电化学电极对，而 Voc 和 Isc 描述的是光照下的光伏输出。
重要的性能特征
放电容量和能量
放电容量以安培小时为单位进行测量，表示电池能够提供多少电荷。能量通过对放电过程中的电流和电压进行积分获得，通常以瓦时表示。
对于研究型电池，应结合电极负载量、活性材料质量、器件面积和厚度来解读容量。薄膜电池的绝对容量可能较低，但仍可展示具有价值的光伏和电化学概念验证行为。
功率和倍率性能
功率描述电池释放能量的速度。倍率性能测试用于考察电池在不同电流下充放电时，是否能够保持可用容量和稳定电压。
对于半透明薄膜电池，电流水平可能处于微安范围。因此，测试设备必须能够进行精确的低电流控制和测量，而不能仅依赖传统的高电流电池测试设置。
循环稳定性
循环测试会反复对电池进行充放电，以确定其容量和电压的保持能力。主要输出指标包括：
- 容量保持率
- 充放电效率
- 电压曲线稳定性
- 循环间衰减
- 自放电行为的变化
稳定的可逆嵌入应产生重复性良好的充放电曲线。容量逐渐下降可能表明电极 degradation、电解质不稳定、界面电阻增加，或薄膜结构发生机械失效。
光学透明度和电致变色响应
半透明结构要求在评估电化学性能的同时评估光学性能。锂嵌入会改变钛的氧化态，包括从 Ti⁴⁺ 向 Ti³⁺ 的还原，从而产生电致变色变化。
UV–Vis 光谱可以跟踪可见光波长范围内光学透过率的变化。这使研究人员能够将电池的光学状态与其荷电状态和电化学历史相关联。
实验室测试的实施方法
电池制备和组装
测试始于在导电玻璃基底上受控制备薄膜电极，例如氟掺杂氧化锡，即 FTO。
相关实验室工具可能包括：
- 精密基底和电极切割设备
- 薄膜或浆料涂覆设备
- 高精度压制工具
- 受控电池组装夹具
- 密封和电解质处理设备
其目的是获得重复性良好的电极面积、厚度、负载量和接触电阻。该阶段控制不佳可能会掩盖 TiO₂/LiCoO₂ 化学体系的本征行为。
恒电流充放电循环
电池测试仪施加受控电流，同时记录电压随时间的变化。所得曲线显示电池的充放电平台，并可用于计算容量和能量。
测试可以进行多个循环，以量化容量保持率、库仑效率和长期电压稳定性。
光照和暗态测试
光伏贡献在经过校准的太阳能模拟器下进行测量，通常使用一倍太阳光条件，以便与报告值进行比较。
测量应在光照和暗态条件下同时进行。这样可以将普通电化学行为与光辅助效应区分开来，例如光照辅助充电或自放电变化。
J–V 表征
通过在光照下记录电流随电压的变化来评估光伏组件。J–V 曲线可以提供：
- 开路电压
- 短路电流密度
- 电流和电压工作点
- 不同光照条件下的光伏响应
对于面积非常小的薄膜，测量系统必须仔细控制漏电流、接触电阻、电磁屏蔽和光照均匀性。
光辅助自放电测试
自放电测试会在电池静置期间监测其电压或存储电荷。比较光照和暗态条件可以揭示光照是否改变电荷保持能力或加速寄生反应。
该测试尤其重要，因为光伏电池可能出现由光生载流子引起的表观电压变化，而不仅仅是普通电化学自放电造成的变化。
光学–电化学关联
可以在使用 UV–Vis 分光光度计测量透过率的同时对电池进行循环。随后，研究人员比较：
- 透过率与荷电状态的关系
- 光学变化与电压的关系
- 着色和褪色的可逆性
- 重复循环过程中的光学衰减
这可以确认观察到的透明度调制是否与可逆锂嵌入相耦合。
理解各种权衡关系
透明度与活性材料
提高光学透明度通常会限制置于光路中的活性材料数量或厚度，从而可能降低绝对容量和光电流。
因此，设计需要在可见光透过率、电极利用率和电输出之间取得平衡。
光伏电流与电池充电时间
约 7 × 10⁻⁵ A 的 Isc 表明光伏电流较小。因此，根据电池容量和运行条件，直接太阳能充电可能较为缓慢。
较高的光伏电压本身并不能保证快速充电；可用电流以及光伏组件与电化学组件之间的电压匹配同样重要。
薄膜优势与测量灵敏度
薄膜可以实现紧凑、半透明的结构，并缩短传输路径。然而，其低容量和低电流也使测量更容易受到仪器噪声、漏电流、接触电阻和环境干扰的影响。
高精度低电流测试对于区分真实器件行为和测量伪影至关重要。
光学功能与电化学耐久性
重复的氧化还原驱动光学变化可用于智能窗或视觉化荷电状态指示器。然而，光学循环本身并不能证明电池具有良好的电池性能。
必须在相同的循环历史中同时跟踪透过率保持率和电化学容量保持率。
根据目标选择合适的方法
正确的实验室工作流程取决于研究重点是能量存储、光伏充电还是光学功能。
- 如果主要关注电化学存储：使用受控恒电流充放电循环，测量容量、电压曲线、倍率性能、库仑效率和容量保持率。
- 如果主要关注光伏充电：测量光照和暗态下的 J–V 行为，包括 Voc 和 Isc，同时监测光辅助充电和自放电。
- 如果主要关注半透明性或智能窗行为：将循环测试与 UV–Vis 测量相结合，以关联光学透过率、锂嵌入和荷电状态。
- 如果主要关注器件可靠性：采用重复循环、受控热条件和机械条件，以及一致的电池组装工艺，从而将材料降解与制备差异区分开来。
可靠的评估应将 TiO₂/LiCoO₂ 器件视为一个集成的电池、光伏转换器和光学电化学系统，而不是仅将其视为其中一种组件。
总结表：
| 特性 | 数值 / 描述 |
|---|---|
| 电化学电势 | 2.0–2.3 V（理论值） |
| 光伏电压（Voc） | 一倍太阳光下约 0.97 V |
| 光伏电流（Isc） | 一倍太阳光下约 7 × 10⁻⁵ A |
| 电极材料 | TiO₂（负极，n 型半导体）、LiCoO₂（正极） |
| 充电机制 | 可逆锂嵌入/脱嵌 |
| 光学性质 | 半透明，具有电致变色特性（Ti⁴⁺/Ti³⁺ 转变） |
| 关键测试方法 | 恒电流循环、J-V 表征、自放电、UV-Vis 光谱 |
| 性能指标 | 放电容量、功率、倍率性能、循环稳定性、透过率 |
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